Trong chiến tranh phá hoại miền Bắc Việt Nam lần thứ 1 (1965-1968), cầu Long Biên bị máy bay Mỹ ném bom 10 lần, hỏng 7 nhịp và 4 trụ lớn. Trong chiến tranh phá hoại miền Bắc Việt Nam lần thứ hai của không lực Hoa Kỳ (1972) cầu Long Biên bị ném bom 4 lần, phá hỏng 1500 mét cầu và hai trụ lớn bị cắt đứt. Để bảo vệ cầu, bộ đội công binh và phòng không Việt Nam xây dựng hai trận địa pháo phòng không cao 11,5 m trên bãi cát nổi giữa sông Hồng (còn gọi là bãi giữa), để vẫn có thể bắn máy bay Mỹ khi có lũ cao nhất.

Bộ đội Phòng không Việt Nam dùng máy bay trực thăng cẩu pháo, khí tài chiếm lĩnh trận địa. Ngoài ra còn có lực lượng phòng không hải quân gồm: các tàu tuần tiễu tham gia bảo vệ cầu.

Các nhịp của cầu bị bom đánh sập đã được thay bằng các dầm bán vĩnh cửu, có khẩu độ ngắn đặt trên các trụ mới.

Lịch sử sử dụng cầu Long Biên đã chứng kiến các điểm cao trên thành cầu trở thành ụ pháo cao xạ chống máy bay Mỹ trong thời gian chiến tranh.

Trong những năm chiến tranh chống Mỹ 1965-1967, các lực lượng vũ trang của Quân đội Nhân dân Việt nam đã bảo vệ cầu Long Biên như thả bóng hơi, tạo sương mù của lực lượng bộ đội hoá học đối với máy bay Mỹ. Đặc biệt các tiểu đội cao xạ 12,7 ly và 14,5 ly đã anh dũng cắm chốt tử thủ trên các đỉnh cao nhất của cầu để bắn các phi đội F4 của Mỹ ném bom phá cầu. Hàng ngày các anh đã trực chiến 24/24 ăn ở sinh hoạt tại chỗ, được đồng đội tiếp tế cơm nước từ dưới kéo lên.

Sang thời bình, do giao thông ngày một tăng trong thập kỷ 90, cầu Long Biên được sử dụng chỉ cho tàu hỏa, xe đạp và người đi bộ. Việt Nam xây dựng thêm cầu Chương Dương nằm trong mục tiêu đáp ứng nhu cầu đi lại và để phát triển kinh tế, xã hội đô thị ở hai bờ sông Hồng Hà Nội. Cuối năm 2005 xe máy được phép đi qua cầu Long Biên để giảm việc ùn tắc giao thông cho cầu Chương Dương.

Năm 2002, Bộ Giao thông Vận tải phê duyệt thông qua dự án gia cố sửa chữa cầu Long Biên giai đoạn 2 với tổng vốn đầu tư 94,66 tỷ đồng , nhằm mục tiêu đảm bảo an toàn khai thác đến năm 2010.